Физические свойства жидкостей. Состав, обслуживание и рекомендации по выбору

ЧТО НУЖНО ДЛЯ НОРМАЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГИДРОПРИВОДА.

Для начала отметим, что рабочая жидкость в гидроприводе является рабочим телом, т.е. является носителем энергии, обеспечивающим передачу последней от источника энергии (двигателя) к её потребителю (исполнительным механизмам). Кроме того, рабочая жидкость выполняет роль смазки в парах трения гидропривода, являясь смазывающим и охлаждающим агентом, и средой, удаляющей продукты изнашивания. К функциям рабочей жидкости относится и защита деталей гидропривода от коррозии. В связи с этим к рабочим жидкостям предъявляются разносторонние требования:

Хорошие смазочные свойства;

Малое изменение вязкости при изменении температуры и давления;

Инертность в отношении конструкционных материалов деталей гидропривода;

Оптимальная вязкость, обеспечивающая минимальные энергетические потери и нормальное функционирование уплотнений;

Малая токсичность самой рабочей жидкости и её паров;

Малая склонность к вспениванию;

Антикоррозийные свойства; способность предохранять детали гидропривода от коррозии;

Оптимальная плотность;

Долговечность;

Оптимальная растворимость воды рабочей жидкостью: плохая для чистых минеральных масел; хорошая для эмульсий и т.п.

Невоспламеняемость;

Малая способность поглощения или растворения воздуха;

Хорошая теплопроводность;

Малый коэффициент теплового расширения;

Способность хорошо очищаться от загрязнений;

Совместимость с другими марками рабочей жидкости;

Низкая цена;

Отклонение от этих условий приводит к различным нарушениям в функционировании гидропривода. В частности плохие смазочные или антикоррозийные свойства приводят к уменьшению сроков службы гидропривода; неоптимальная вязкость или её слишком большая зависимость от режимов работы гидропривода снижают общий к.п.д. и т.д.

Для оптимальной работы гидропривода нужно правильно выбрать марку рабочей жидкости при конструировании и,конечно же, грамотно эксплуатировать сам гидропривод.

Сегодня действуют различные системы обозначения марок рабочих жидкостей. Рабочую жидкость общего назначения принято название "индустриальные" с указанием вязкости в сСт при t=50 C. Кроме того, существуют еще отраслевые системы обозначений. Например, рабочая жидкость для станочных гидропривод - ИГИДРОПРИВОД, для гидропривод транспортных установок - МГ, МГЕ, для авиационных гидропривод - АМГ. При этом марка рабочая жидкость может содерабочая жидкостьать или не содерабочая жидкостьать указания на вязкость.

В перспективах предполагается переход на новую систему маркировки, основой которой является международный стандарт МS ISO 6443/4, устанавливающий классификацию группы Н (гидравлические системы) , которая относится к классу L (смазочные материалы, индустриальные масла и родственные продукты) . Каждая категория продуктов группы Н обозначена символом, состоящим из нескольких букв, но примем ИСО - L -HV или сокращенно L - HV. Символ может быть дополнен числом, соответствующим показателю вязкости по MS ISO 3448.

На основе описанного стандарта разрабатываются национальные стандарты в России действует группа стандартов ГОСТ 17479.0-85...ГОСТ17479.4-87, по которым будет проводиться маркировка для вновь создаваемых рабочих жидкостей на нефтяной основе.

Наиболее распространенных рабочая жидкость для различных гидропривод со старыми обозначениями и их аналогами по ГОСТ и по MS ISO приведена в табл. 3.

Таблица 3.

Вязкость - свойство жидкости оказывать сопротивление сдвигу одного слоя относительно другого под действием касательной силы внутреннего трения. Напряжение трения согласно закону Ньютона пропорционально градиенту скорости dC/dy

Коэффициент пропорциональности h носит название динамиче-ской вязкости

Единицей динамической вязкости является 1Па.с.(паскаль-секунда).

Более распространённым является другой показатель - кинематическая вязкость, которая учитывает зависимость сил внутреннего трения от инерции потока жидкости. Кинематическая вязкость (или коэффициент динамической вязкости) определяется выражением

Единицей кинематической вязкости является 1м 2 /c. Эта величина велика и неудобна для практических расчётов. Поэтому используют величину в 10 4 меньше -1 см 2 /c = 1Cт(стокс) , или 1 сотую часть Ст - сСт (сантистокс). В нормативно-технических документах обычно ука-зывают кинематическую вязкость при 100°С - (g 100) или при 50 °С -(g 50). Для новых марок масел в соответствии с международными нормами указывается вязкость при 40°С (точнее при 37.8°С) - g 40 . Указанная температура соответствует 100 0 по Фаренгейту.

На практике используются и другие параметры, характеризующие вязкость жидкостей. Часто используют так называемую условную или относительную вязкость, определямую по течению жидкости через малое отверстие вискозиметра (прибора для определения вязкости) и сравнению времени истечения с временем истечения воды. В зависимости от количества испытуемой жидкости, диаметра отверстия и других условий испытаний применяют различные показатели. В России для измерения условий вязкости приняты условные градусы Энглера (°Е), которые представляют собой показания вискозиметра при 20, 50 и 100°С и обозначаются соответственно °E20;°E50 и °E100 . Значение вязкости в градусах Энглера есть отношение времени истечения через отверстие вяскозиметра 200 см 3 испытуемой жидкости к времени истечения такого же количества дистиллированной воды при t=20 С..

Вязкость жидкости зависит от химического состава, от температуры и давления. Наиболее важным фактором, влияющим на вязкость, является температура. Зависимость вязкости от температуры различна для различных жидкостей. Для масел в диапазоне температур от t = +50 0 C до температуры начала застывания применяется фор-мула:

n ж = n 50 exp (A / T ж a)

где n ж - значение кинематической вязкости при температуре T ж (° K), в cCm;

A и a - эмпирические коэффициенты.

Для некоторых рабочих жидкостей значения коэффициентов А и а приведены в табл. 1.

Таблица 1.

С помощью индекса вязкости (ИВ) , являющегося паспортной характеристикой современных масел, оцениваются зависимость вязкости от температуры, или так называемые вязкостно-температурные свойства рабочих жидкостей,. Масла с высоким индексом вязкости меньше изменяют свою вязкость при изменении температуры. При небольшом индексе вязкости зависимость вязкости от температуры сильная. ИВ определяется сравнением данного масла с двумя эталонами. Один из этих эталонов характеризуется крутой вязкостно-температурной характеристикой, т. е. сильной зависимостью вязкости от температуры, а другой - пологой характеристикой. Эталону с крутой характеристикой присвоен ИВ=0 , а эталону с пологой характеристикой - ИВ = 100.

По ГОСТу 25371-82 ИВ вычисляется по формуле:

ИВ =(n-n 1) /(n-n 2)

ИВ=(n-n 1) / n 3

где n - кинематическая вязкость эталонного масла при t= 40 0 C с ИВ=0 и имеющим при t=100 0 С такую же кинематическую вязкость как и данное масло, сСm ;

n 1 - кинематическая вязкость данного масла при t=40 0 C , сСm ;

n 2 - кинематическая вязкость эталонного масла при t=40 0 C, с ИВ=100 и имеющим при t=100 0 C такую же вязкость, что и данное масло, сСm ;

n 3 = n- n 2 , cCm .

Реальные рабочие жидкости имеют значения ИВ от 70 до 120.

Отметим, что с повышением давления вязкость рабочей жидкости увеличивается. Для практических расчетов может использоваться формула, связывающая динамическую вязкость с давлением:

где h 0 и h р - динамические вязкости при атмосферном давлении и давлении р.

а - постоянный коэффициент; в зависимости от марки масла а = 1,002 - 1,004.

А вот при низких температурах масла застывают. Температурой застывания (ГОСТ 20287-74) называется температура, при которой масло запустевает настолько, что при наклоне пробирки с маслом на 45 0 его уровень в течение 1 мин. остается неподвижным. При температуре застывания работа гидропривода невозможна. Минимальная рабочая температура принимается на 10-15 0 выше температуры застывания.

Важно знать, что вязкость рабочей жидкости оказывает прямое влияние на рабочие процессы и явления, происходящие как в отдельных элементах, так и в целом гидроприводе. Действие вязкости неоднозначно и требуются тщательные исследования для рекомендации оптимальной вязкости для конкретного гидропривода. Изменение вязкости является критерием достижения предельного состояния рабочей жидкости.

Однако при чрезмерно высокой вязкости силы трения в жидкости настолько значительны, что могут привести к нарушению оплошности потока. При этом происходит не заполнение рабочих камер насоса, возникает кавитация, снижается подача, ухудшаются показатели надежности.

Также высокая вязкость рабочей жидкости позволяет снизить утечки через зазоры, и щелевые уплотнения, при этом объёмный КПД увеличивается. Но высокая вязкость одновременно увеличивает и трение в трущихся парах и снижает механический КПД. Одновременно снижается и гидравлический КПД, так как возрастают гидравлические потери.

Необходимо выбирать рабочую жидкость так, чтобы кинематическая вязкость при длительной эксплуатации в гидроприводе с шестеренными насосами находилась в пределах 18-1500 cCm , в гидроприводе с пластинчатыми насосами 10 - 4000 cCm и в гид рабочей жидкости связаны с прочностью мароприводе с аксиально-поршневыми насосами 6-2000 cCm.

Смазывающие способности рабочей жидкости связаны с образованием на трущихся поверхностях масляной пленки и способностью её противостоять разрыву. Обычно, чем больше вязкость, тем выше прочность масляной. плёнки при сдвиге. Рабочая жидкость в гидроприводе должна предотвращать контактирование и схватывание трущихся поверхностей при малых скоростях скольжения в условиях граничного режима трения. Другими словами, рабочая жидкость, должна, во-первых, обладать противозадирными свойствами, во-вторых уменьшать износ поверхностей трения, создавая гидродинамический режим смазки, т. е. обладать противоизностными свойствами.

Улучшение противозадирных и противоизностных свойств рабочей жидкости достигается введением их в состав присадок. Обычно вводят несколько присадок или комплексные присадки, улучшающие сразу несколько показателей рабочей жидкости

Стабильность свойств - это способность рабочей жидкости сохранять работоспособность в течение заданного времени при изменении первоначальных свойств в допустимых пределах.

Стабильность характеризуется антиокислительной способностью и однородностью рабочей жидкости, которые находятся между собой в зависимости. При длительной эксплуатации в результате реакции углеводородов масла с кислородом воздуха в рабочей жидкости появляются смолистые нерастворимые фракции, которые образуют осадки и плёнки на поверхностях деталей, обуславливая старение рабочей жидкости. В результате может быть нарушено нормальное функционирование таких прециционных элементов гидропривода, как распределители, дроссели и т. п. .

На скорость окисления существенно влияют температура масла, интенсивность его перемешивания, количество находящихся в рабочей жидкости воды и воздуха, а также металлических загрязнений. Значительное каталитическое воздействие на процесс старения оказывает присутствие медных деталей. Окисление рабочей жидкости характеризуется изменением кислотнго числа РН, которое определяется количеством миллиграммов едкого калия (КОН) , необходимого для нейтрализации свободных кислот в 1 г. жидкости. Кислотное число РН и количество осадка используется для оценки старения жидкости (ГОСТ 5985-79). Оно является одним из параметров, определяющих работоспособность рабочей жидкости. Чтобы повысить антиокислительные свойства рабочей жидкости, используются присадки.

2 Антикоррозийные свойства- характеризуют способность рабочей жидкости выделять воздух или другие газы без образования пены. Эту способность определяют по времени исчезновения пены после подачи в жидкость воздуха или прекращения перемешивания. Способность противостоять пенообразованию усиливают добавлением антипенной присадки. Механизм действия присадки состоит в понижении поверхностного натяжения жидкости. Концентрируясь на поверхности пузырьков пены, присадка способствует их разрыву, а, следовательно быстрому гашению пены.

Стойкость рабочей жидкости к образованию эмульсии характеризуется способностью её расслаиваться и отделяться от попавшей в неё воды. Добавлением в жидкость деэмульгаторов(веществ, разрушающих масляные эмульсии) понижают поверхностное натяжение плёнки на границе раздела вода-масло и предотвращают смешивание рабочей жидкости с водой.

Совместимость рабочей жидкости с материалами гидропривода характеризуется отсутствием коррозии металлов, а также стабильность физико-химических свойств жидкости. Причины коррозийной активности рабочая жидкость тесно связаны с накоплением в них химических соединений, обуславливающих коррозию металлов.

Среди таких соединений основное влияние на коррозию оказывают перекиси, образующиеся в результате старения рабочей жидкости, и которые оцениваются кислотным числом pH.

Антикоррозийные свойства рабочей жидкости оценивают по испытаниям на коррозию металлических (из стали 50 и меди М2) пластин, помещенных на 3 часа в жидкость, нагретую до 100 0 С. Отсутствие потемнений на металлических пластинах является положительным результатом проверки.

Совместимость с резинотехническими изделиями гидропривода оценивают величиной набухания резины марки УИМ-1 или потери ее массы в рабочей жидкости при заданной длительности испытаний.

Удельная теплоемкость рабочей жидкости - количество теплоты, необходимое для повышения температуры единицы массы на один градус Цельсия. Единицей удельной теплоемкости является 1Дж/Кг*C°. Удельная теплоемкость рабочей жидкости - важный показатель для гидропривода. Он характеризует интенсивность повышения температуры в гидросистеме. Большая энергоемкость означает большую тепловую инерционность гидропривода и, следовательно, более равномерное распределение температуры в элементах системы.

С повышением температуры удельная теплоемкость рабочая жидкость изменяется незначительно.

Теплопрводность рабочей жидкости - количество теплоты, которое проходит за единицу времени через единицу поверхности на единицу толщины слоя. Единица теплопроводности - 1Вт/M¤°С. Теплопроводность рабочей жидкости с повышением температуры уменьшается

Чистота рабочей жидкости - характеризуется количеством или массой инородных частиц в заданном объеме. Частицы загрязнений попадают в рабочую жидкость различными способами: при заливке жидкости в бак; как продукты износа трущихся поверхностей; через сапуны и уплотнения гидропривода. Влияние чистоты рабочей жидкости на надежность гидропривода огромно. До сих пор это основной показатель, лимитирующий долговечность гидропривода. Повышенная загрязненность рабочей жидкости вызывает повышенный износ деталей гидропривода, ухудшение его характеристик и преждевременный выход из строя.

Чистота рабочей жидкости характеризуется классами чистоты, от 0 до 17. По ГОСТ 17216-71 каждому классу соответствует допустимое количество частиц определенного размера и общая масса загрязнений. Все загрязнения делятся на две группы: частицы и волокна. Волокнами считаются частицы толщиной не более 30 мкм при отношении длины к толщине не менее 10:1. Частицы загрязнений размером более 200 мкм (не считая волокон) в рабочей жидкости не допускаются.

Масса загрязнений для классов от 0 до 5 не нормируется, а для классов с 6 по 12 не является контрольным параметром. Нормирование классов чистоты по ГОСТ 17216-71 имеет недостатки. В частности, в реальной рабочей жидкости соотношение количества частиц определенного размера для одного класса чистоты, как правило, не соблюдается. Может оказаться, частицы большого размера отсутствуют, но меньшие частицы превышают допустимый уровень. При этом, общая масса загрязнений может быть меньше допустимой для данного класса. В такой ситуации, работоспособность такой жидкости будет не ниже жидкости, полностью соответствующей по показателю данному классу, но ее следует в соответствии с ГОСТ классифицировать другим, более грубым классом чистоты. Чтобы ликвидировать этот недостаток, в некоторых отраслях, введены дополнительные показатели, более удобные для использования. В частности, в станкостроении используется параметр загрязнения W по отраслевой нормали РТМ2 Н06-32-84. Этот параметр подсчитывается по формуле:

W=10^-10*n1*n2*n3*n4*n5

Где n1-n5 - количество частиц загрязнений соответственно: 5-10 ; 10-25 ; 25-50 ; 50-100 и свыше 100 мкм объеме жидкости 100 см 3

Классификационный параметр W приведен в соответствие с классами частоты ГОСТ 17216-71 Гидропривод предъявляет высокие требования к чистоте рабочая жидкость

Таблица 2

Плотность рабочей жидкости - физическая величина, характеризующая отношение массы m жидкости к её объёму:

Размерность плотности - кг / м 3 .

Величина плотности имеет большое значение для энергетических характеристик гидропривода. От неё зависит величина гидравлических потерь, определяемая, как

p пот =rC 2 /2 ,

где С - скорость движения жидкости.

Изменение плотности рабочей жидкости при изменении темпе-ратуры от t1 до t2 описывается выражением:

r t2 =r n1 / 1+b(t2-t1).

где b - коэфициент объемного расширения.

Относительное изменение объема жидкости при изменении температуры характеризуется температурным коэффициентом объёмного расширения b .

где V и DV - начальный объём и приращение объёма при повышении температуры на Dt. Размерность коэффициента b - 1/°c.

Изменение объёма DV и объём рабочей жидкости при изменении температуры с t1 до t2 может быть определено по формулам:

Vt2= Vt1.

Величина коэффициента объёмного расширения невелика. Однако, это изменение следует всё же учитывать при расчёте гидроприводов с замкнутой циркуляцией потока, чтобы избежать разрушений элементов гидропривода при нагреве.

Возможность разрушения деталей гидропривода обусловлена разницей в значениях температурного коэффициента объёмного расширения рабочей жидкости и металла деталей гидропривода. Повышение давления,обусловленное нагревом, принято оценивать по формуле:

Dp = (b-b м)DtE / k

где b м - коэффициент объёмного расширения материала деталей гидропривода;

E - модуль упругости жидкости;

k- коэффициент, характеризующий объёмную упругость материала элементов гидропривода.

Грубая оценка повышения давления в замкнутом сосуде при нагреве на 10°C и принятых средних значениях b=8.75 10 -4 , b м =5.3 10 -5 , E=1.7 10 3 Мпа и k=1 дает величину около 15 Мпа. Поэтому в гидроприводе с замкнутой циркуляцией, эксплуатируемых при широком диапазоне изменения температуры рабочей жидкос- ти, должны быть установлены предохранительные клапаны или другие устройства, компенсирующие температурное увеличение объёма жидкости.

Сжимаемость жидкости - это её способность под действием внешнего давления изменять свой объём обратимым образом, т.е. так, что после прекращения действия внешнего давления восстанав- ливается первоначальный объём.

Сжимаемость жидкости характеризуется модулем упругости жидкости Е с размерностью Па (или Мпа) .

Уменьшение объёма жидкости под действием давления определяется по формуле

При повышении давления модуль упругости увеличивается, а при нагреве жидкости - уменьшается.

Обычно в масле работающего гидропривода содержится до 6% нерастворённого воздуха. После отстаивания в течение суток содержание воздуха уменьшается до 0.01-0.02%. В этом случае рабочая жидкость представляет собой газожидкостную смесь, модуль упругости которой подсчитывается по формуле:

Е гж = Е(V ж /V p +1)/(V ж /V p +E p 0 /p 2)

где V ж, V p - объёмы соответственно жидкостной и газовой фаз при атмосферном давлении Р 0 .

В рабочей жидкости содержится также определённое количество растворённого воздуха (пропорциональное величине давления), который практически не влияет на физико-химические свойства масла, однако способствует возникновению кавитации, особенно во всасывающих линиях насосов, в дросселях и других местах гидропривода, где происходит резкое изменение давления.

Рабочие жидкости на нефтяной основе изготавливаются из продуктов перегонки нефти, которые остаются после топливных фракций. Эти продукты представляют собой смесь различных углеводородов, которая обычно называется мазутом.

При нагревании мазута при пониженном давлении снижается температура кипения отдельных углеводородов, что позволяет выделить из мазута отдельные фракции. Процесс этот называется вакуумной возгонкой.

Существуют две схемы переработки мазута - топливная и масляная. При топливной получают только одну фракцию (350-500 0 С), используемую обычно как базовый продукт для каталитического крекинга или гидрокрекинга для получения тяжелых топлив. При масляной переработке выделяют три фракции: легкие дистиллятные масла, выкипающие при 300-400 0 С, средние дистиллятные масла (400-450 0 С) и тяжелые (450-500 0 С).

В результате вакуумной перегонки получают базовые дистиллятные масла, а оставшиеся продукты (полугудрон и гудрон) используют для получения остаточных масел.

Одной из особенностей дистиллятных масел являются их хорошие вязкостно-температурные свойства (высокий ИВ) и высокая термоокислительная стабильность. Но эти масла не обладают удовлетворительной маслянистостью, т.е. прочность масляной пленки невелика, что снижает их смазывающую способность.

Остаточные же масла, наоборот, обладают высокой естественной маслянистостью, но плохими вязкостно-температурными свойствами и высокой температурой застывания.

Важно, что для получения базовых товарных масел применяют сложную технологию, основанную на подборе смеси из дистиллятных и остаточных масел и очистке от вредных примесей. К числу последних относятся продукты окислительной полимеризации, органические кислоты, нестабильные углеводороды, сера и ее соединения. Для улучшения низкотемпературных свойств, масла подвергают депарафинизации и деасфальтизации.

Процесс очиски масла является наиболее сложным и в экологическом смысле небезопасным процессом. В настоящее время применяют следующие методы очистки масел:

1. Выщелачивание.

Масло обрабатывают раствором щелочи (NaOH), которая нейтрализует органические кислоты. Продукты окислительной полимеризации (нефтяные смолы и другие вредные примеси) при щелочной очистке не удаляются, поэтому этот способ находит ограниченное применение.

2) Кислотно-щелочная и кислотно-контактная очистка.

При этом методе очистки основным реагентом, входящим в соединения с нежелательными примесями, является серная кислота, которую добавляют в дистиллятное масло до 6 %, а в остаточное - до 10 % от массы обрабатываемой жидкости.

Серная кислота разрушает смолисто-асфальтовые и ненасыщенные углеводороды. Подукты реакции вместе с неиспользованной частью серной кислоты образуют осадок, называемый кислым гудроном. Наиболее ценные циклановые углеводороды, которые составляют основу масла, серной кислотой не затрагиваются. После удаления осадка масло промывается водным раствором щелочи, которая нейтрализует остатки серной кислоты и кислого гудрона. Очистка заканчивается промывкой масла водой и просушиванием перегретым паром или горячим воздухом.

При таком способе нейтрализации остаточной кислотности возможно образование стойких водомасляных эмульсий. Поэто-му вместо обработки щелочью применяют контактное фильтрование с помощью отбеливающих глин. Последние обладают большой адсорбционной способностью поглощать полярно-активные вещест-ва, к которым относятся продукты взаимодействия фракций масла с серной кислотой. Такой метод носит название кислотно-контактной очистки.

Применение для очистки масла серной кислоты имеет существенные недостатки:

При современных масштабах использования масел необходимо большое количество серной кислоты, производство которой дорого и экологически опасно;

Кислый гудрон, который является отходом при этом способе очистки, очень токсичный и экологически вредный продукт.Его вторичное использование экологически опасно, а переработка сложна и дорога.

1. Очистка селективными растворителями.

Особенностью этого метода является возможность в процессе очистки многократно использовать растворители вредных примесей. В качестве растворителей применяют фенол, фурфурол и другие вещества.

Принцип селективной очистки заключается в следующем. Подбирают растворитель, который при определенной температуре и количественном соотношении с очищаемым маслом выборочно (селективно) растворяет в себе все вредные примеси и плохо или совсем не растворяет очищаемый продукт.

При смешивании очищаемого масла с селективным рас-творителем основная часть вредных примесей растворяется и переходит в растворитель, который не смешиваясь с маслом, легко с ним разделяется при отстаивании. Получается слой очищенного масла (рафинадный слой) и слой растворителя с вредными, удаленными из масла примесями. Этот слой называют экстрактом. Слои разделяют. Рафинадный слой затем доочищают отбеливающими глинами, а экстракт подвергают регенерации. При регенерации селективный растворитель отделяется от вредных продуктов и опять используется в процессе очистки.

Очень важно выбрать как количественное соотношение масла и растворителя, так и температуру процесса. При использовании в качестве растворителя фенола в зависимости от количества примесей, а также от состава масла температура процесса может быть назначена в пределах от 50 до 300 0 С, а соотношение масла и фенола - от 1: 1.5 до 1:2 .

2. Гидрогенизация.

Процесс заключается в гидрировании (насыщении) непредельных углеводородов водородом в присутствии катализаторов. При этом полностью удаляются сера и серосодержащие вещества. Процесс происходит в специальных установках под давлением ~ 2 Мпа при температуре 380-400 0 С.

3. Деасфальтизация и депарафинизация применяется для улучшения вязкостно-температурных свойств

Деасфальтизация проводится с помощью жидкого пропана, который под давлением 2-4 Мпа смешивают с очищенным маслом в пропорции до 10:1. Отходом производства является битум. Пропан после очистки может быть использован повтороно.

Депарафинизацию масла, т.е. выделение из него парафина и цезерина, производят в несколько этапов. Вначале в масло добавляют растворители и смесь нагревают до температуры на 15-20 0 С выше температуры растворения парафина и цезерина. Затем смесь подвергают охлаждению и фильтрации. Застывший парафин и цезерин остаются на фильтрах. Растворитель и масло разделяют отстаиванием.

Рабочие жидкости на нефтяной основе наиболее часто используются в гидроприводах. Однако базовые масла за редким исключением (веретенное АУ, турбинное и некоторые другие масла) не применяются, т.к. не обладают требуемыми для гидропривода свойствами. Для получения рабочих жидкостей с нужными эксплуатационными свойствами базовые масла подвергаются доработке с помощью различных присадок.

На основе базовых масел приготавливаются эмульсии, которые иногда используются в гидроприводах в качестве рабочих жидкостей. Эмульсии представляют собой смеси масла на нефтяной основе и смягченной воды. Различают эмульсии “масло в воде” и “вода в масле”.

Первые представляют собой мелкодисперсионные смеси воды и 2-3% эмульсола, в состав которого входят минеральное масло с добавкой 12-14% олеиновой кислоты и 2,5% едкого натра. Они обладают малой вязкостью, низкой смазывающей способностью, высокой коррозионной активностью и ограниченным температурным диапазоном. Положительными свойствами эмульсий типа “масло в воде” являются негорючесть и низкая стоимость.

Эмульсии типа “вода в масле” представляют собой смесь масла с около 40% воды с присадками, обеспечивающими стойкость эмульсии (эмульгаторы). Такие рабочие жидкости немного уступают минеральным маслам по коррозионной стойкости и смазывающим свойствам при невысоких давлениях. Однако с ростом давления эти свойства ухудшаются.

Эмульсии используются в качестве рабочих жидкостей в гидроприводах кузнечно-прессовых и горных машин, где требования противопожарной безопасности повышены.

Рабочие жидкости на нефтяной основе не могут обеспечить весь диапазон требований, которые предъявляет к гидроприводам практика. Для гидроприводов, работающих в условиях, отличающихся от нормальных (t раб > 100 0 C, повышенные требования к пожаробезопасности, чрезмерно низкие температуры окружающей среды и т.п.), или от которых требуется повышенная стабильность характеристик, применяются синтетические рабочие жидкости.

Обладая повышенными отдельными свойствами, синтетические рабочие жидкости имеют некоторые недостатки, припятствующие их широкому применению. Это в первую очередь высокая стоимость и ограниченность сырьевых ресурсов, используемых для изготовления синтетических жидкостей. Кроме того, ряд таких жидкостей плохо совместимы с основными материалами гидроприводов, токсичны и имеют худшие, по сравнеию с минеральными маслами, показатели по отдельным свойствам.

Существует множество типов синтетических жидкостей, из которых в гидроприводах нашли применение следующие: диэфиры, силоксаны, фосфаты, водосодержащие жидкости, фтор- и хлорорганические рабочие жидкости.

Все типы органических жидкостей обладают по сравнению с минеральными маслами повышенными противопожарными свойствами. Наиболее лучшими в этом отношении являются фторорганические жидкости, которые отличаются полной негорючестью. Кроме того, они исключительно химически инертны и термически стабильны. Водосодержащие жидкости не воспламеняются при распылении на пламя или на поверхность, нагретую до температуры 700 0 С. Остальные жидкости имеют повышенную огнестойкость по сравнению с нефтяными маслами, но являются горючими и могут воспламенятся при попадании на огонь или раскаленные предметы.

Рассмотрим характеристики синтетичесих рабочих жидкостей.

Диэфиры - жидкости на основе сложных эфиров, являющихся продуктами реакции двухосновных кислот (адипиновой, себациновой и др.) с первичными или многоатомными спиртами (например, с пентаэритритом). Диэфиры представляют собой маслянистые жидкости с хорошей смазывающей способностью, удовлетворительной вязкостно-температурной характеристикой, малой испаряемостью и высокой температурой вспышки. Диэфиры недостаточно устойчивы к окислению, поэтому в них вводят антиокислительную и противоизносную присадку.

В среде диэфиров плохо работают ракава и уплотнения из нитритных каучуков, электроизоляционные материалы, металлы, содержащие свинец, кадмиевые и цинковые покрытия. Диэфиры совместимы с силоксанами, поэтому в последние вводят диэфиры для улучшения смазочных свойств.

Рабочая температура диэфиров ограничена 200 0 С, так как при температуре 230 - 260 0 С они начинают разлагаться.

Диэфиры используются в гидроприводах турбовинтовых двигателей.

Силоксаны и полисилоксаны - жидкости на основе кремний-органических полимеров. Они имеют наиболее пологую из всех рабочих жидкостей вязкостно-температурную характеристику, т.е. ее вязкость мало зависит от температуры. Вязкость полисилоксанов увеличивается с увеличением молеулярной массы полимера, что позволило создать широкий ряд базовых силоксановых жидкостей с последовательно увеличивющейся вязкостью. Диапазон вязкостей силоксанов от 10 до 3000 сСт при 25 0 С. Силоксаны характеризуются большой сжимаемостью и стойкостью к окислению. Они обладают наименьшим поверхносным натяжением из всех известных рабочих жидкостей. Силоксаны выдерживают температуру до 190 0 С, однако уже при 200 0 С начинают разлагаться с образованием окиси кремния (кремнезема), который является хорошим абразивом, поэтому рабочая температура не превышает 175 0 С. Смазывающая способность силоксанов неудовлетворительная (особенно для стали), поэтому их применяют для рабочих жидкостей гидроприводов только в смеси диэфирами или минеральными маслами. Температура застывания чистых силоксанов -80...-90 0 С, но в смеси с другими компонентами в рабочих жилкостях она повышается и не бывает ниже -70 0 С.

Фосфаты - жидкости на основе сложных эфиров фосфорной кислоты - отличаются повышенной огнестойкостью и хорошей смазывающей способностью. Наиболее термостабильны триарилфосфаты, однако они плохо работают при низких температурах. По вязкостно-температурным свойствам фосфаты уступают минеральным маслам, их вязкость возрастает при низких температурах. Фосфаты склонны к гидролизу, поэтому их нельзя применять в системах, где возможно попадание воды. Многие фосфаты токсичны.

Применяют фосфаты в гидроприводах тепловых электростанций (в том числе и атомных) и металлургического оборудования, а также на летательных аппаратах.

Водосодержащие (водно-гликолевые и водно-глицериновые) жидкости представляют собой класс огнестойкихтрабочих жидкостей, пожаробезопасность которых обеспечивается присутствием в них воды. Основными компонентами водногликолевых жидкостей являются гликоль (обычно, этиленгликоль) - 50-60% и вода -35-45%. В состав рабочих жидкостей также входят водорастворимый загуститель и другие присадки.

Лучше всего использовать марки минеральных масел отечественного производства и эквивалентные масла производства ведущих иностранных фирм приведены в табл. 4 (на развороте) . Преимущества должны иметь масла ИГП, которые изготовлены из нефтей, подвергнутых глубокой селективной очистке.

При нормальной эксплуатации масла типа ИГМ могут нормально эксплуатироваться в течении 6-8 тысяч часов.

При соблюдении необходимых требований к чистоте гидросистемы удаётся повысить надежность гидроприводов и уменьшить эксплуатационные расходы в среднем на 50%..

Фильтры обеспечивают в процессе эксплуатации гидропривода необходимую чистоту масла, работая в

режиме полнопоточной или пропорциональной фильтрации во всасывающей, напорной или сливной линиях гидросистемы. Чаще всего устанавливают комбинацию фильтров.

Приемные фильтры, устанавливаемые в гидросистемы станков:

Сетчатые по ОСТ2 С41-2 ;

Приемные типа ФВСМ по ТУ2-053-1855-87 ;

Сливные фильтры:

Сетчаты типа АС42-5 или ВС42-5 по ТУ2-053-1614-82 ;

Напорные фильтры:

Щелевые по ГОСТ 21329-75 ;

Напорные типа ФГМ32 по ТУ2-053-1778-86 ;

Встраиваемые типа ФВ по ТУ2-053-1854-87 ;

Фильтры типа Ф10 по ТУ2-053-1636-83 ;

Магнитно-пористые типа ФМП по ТУ2-053-1577-81 .

Также в системы гидропривода станков устанавливаются магнитные очистители. Их ставят, как правило, в проемах перегородок баков. К таким фиьтрам относятся:

Сепараторы магнитные очистительные типа ФММ по ТУ2-053-1838-87;

Патроны магнитные по ОСТ2 Г42-1-73 ;

Уловители магнитные по ТУ2-053-1788-86.

Воздушные и заливные фильтры предохраняют от загрязнения баки насосных установок. К ним относятся:

Фильтр Г45-27 (сапун 20) ;

Фильтр Г42-12Ф по ТУ2-053-1294-77 ;

Фильтр типа ФЗ по ТУ2-053-1575-81.

УПЛОТНЕНИЯ В ГИДРОЛИНИЯХ СТАНОЧНЫХ ГИДРОПРИВОДОВ.

Необходимыми условиями являются: герметичность, надежность, легкость монтажа, минимальный уровень трения, небольшие размеры, низкая стоимость и совместимость с рабочей средой.

Обычно применяются следующие уплотнения:

Кольца резиновые уплотнительные круглого сечения по ГОСТ 9833-73 ;

Уплотнения шевронные резинотканевые по ГОСТ 22704-77 ;

Манжеты уплотнительные резиновые для гидравлических устройств по ГОСТ 14896-84 ;

Как известно, гидравлическое масло выполняет огромное количество функций в различных системах и механизмах. Учитывая такую многофункциональность, продукт правильнее назвать гидравлической жидкостью. Подчеркнем также, что термин «гидравлическая жидкость» в данной статье относится к продуктам, рекомендуемым именно для работы в гидросистемах, в отличие от других технических жидкостей, например моторных масел, универсальных тракторных трансмиссионных масел и масел для автоматических трансмиссий, которые часто заявляются как «пригодные для работы в гидросистемах».

Гидравлические системы становятся все более компактными, при этом увеличиваются удельные значения передаваемой энергии, системы работают при все более высокой температуре и давлении, уменьшаются зазоры между движущимися деталями, в конструкции с целью уменьшения массы все шире используются цветные металлы и сплавы. По этим причинам ранее выпускавшиеся гидравлические жидкости уже не соответствуют новым требованиям, и создаются новые сорта с улучшенными эксплуатационными свойствами.

Как и любая современная техническая жидкость, гидравлические жидкости состоят из основы – базового масла и присадок. Основа обычно составляет 95 и более процентов всего состава жидкости.

Гидравлические жидкости в зависимости от базового масла разделяют на жидкости на основе минеральных масел; синтетические жидкости на основе масел гидрокрекинга, полиальфаолефинов (ПАО) и эфирных масел, а также полигликолей. В интересующей нас мобильной спецтехнике в основном используются жидкости на минеральной основе и гидрокрекинговые.

Присадки. В состав современных гидравлических жидкостей могут входить такие присадки, как ингибиторы коррозии, антиокислительные, противоизносные, пеноподавляющие, эмульгаторы или деэмульгаторы, а также присадки, улучшающие вязкостно-температурные свойства, то есть уменьшающие зависимость вязкости жидкости от температуры.

Эмульгаторы – вещества, обеспечивающие создание эмульсий из несмешивающихся жидкостей. Другими словами, эмульгаторы поддерживают воду в виде жидкой дисперсной фазы в гидравлической жидкости, в результате чего небольшое количество воды рассеивается в объеме масла, что обеспечивает соответствующее смазывание. Деэмульгаторы отделяют воду от гидравлической жидкости, что позволяет удалять ее из гидросистемы в процессе проведения технического обслуживания. Следует отметить, что отделенная вода практически не обладает смазывающими свойствами и, попадая в гидронасос, может вызвать повышенный износ его компонентов. Повреждения в системе также могут возникнуть, если вода замерзнет. Требования производителей внедорожной техники в части эмульгирующих свойств жидкостей, используемых в гидросистемах, могут разниться. Например, Caterpillar не рекомендует использовать жидкости, содержащие деэмульгаторы. Ряд других производителей допускает использование жидкостей обоих типов.

Величину относительного изменения вязкости жидкости в диапазоне рабочих температур выражает безразмерный параметр «индекс вязкости». У гидравлических жидкостей с высокими индексами вязкость мало изменяется в широком диапазоне температур.

Присадки, улучшающие индекс вязкости (известные под названием «модификаторы вязкости»), вводятся в продукты, соответствующие спецификациям ISO 6743/4 – тип HV или DIN 51524 – категория HVLP. Эти присадки представляют собой полимеры, их молекулы при низких температурах имеют форму «клубков», обеспечивая малую вязкость масла и тем самым хорошую прокачиваемость при отрицательных температурах. При повышении температур до рабочих эти молекулы «разворачиваются», занимая больший объем и поддерживая вязкость на необходимом уровне, не давая маслу разжижаться. Благодаря этому свойству при изменении температуры вязкость жидкости поддерживается почти на постоянном уровне. На рынке предлагается большое количество присадок, улучшающих индекс вязкости. Но следует помнить: при одинаковом химическом составе чем длиннее молекулы вещества, тем ниже сопротивление механическому сдвигу. А когда цепочки молекул распадаются, вязкость жидкости падает.

Но ZDDP обладает слабой гидролитической стабильностью, т. е. разлагается под действием воды (продукты разложения больше всего воздействуют на цветные металлы), а также недостаточной термической стойкостью – разлагается под действием экстремально высоких температур, образуя коррозионно-активные кислоты и рыхлый осадок, засоряющий фильтры и усиливающий износ деталей системы.

Эту проблему устраняют путем использования более дорогих присадок на основе серы и фосфора: аминных солей и сложных эфиров диалкилдитиофосфорной кислоты. За последние пару лет такие «не содержащие цинка» («бесцинковые») сорта жидкости широко распространились. Как правило, они относятся к премиум-классу. Гидравлические жидкости с бесцинковыми присадками называются «беззольными» – они обладают повышенным сопротивлением образованию рыхлого осадка (т. е. гидролизу), лаковых отложений при высоких температурах, а также экологичны – не содержат тяжелых металлов. Кроме того, такие жидкости более химически нейтральны к цветным металлам и обладают лучшей фильтруемостью, так как не содержат рыхлых осадков. Самые современные рецептуры гидравлических масел, как правило, произведены с использованием «бесцинковой» технологии. Эти сорта жидкостей обладают не менее высокими противоизносными свойствами по защите гидронасосов и других компонентов гидросистем, чем обычные гидравлические жидкости.

Интересно отметить, что некоторые производители внедорожной техники допускают к использованию в гидросистемах жидкости с содержанием цинка не менее 0,09 %, например Caterpillar. С другой стороны, существуют производители, настоятельно рекомендующие к использованию только беззольные жидкости, например Hitachi.

Хранение и обслуживание

Защита от загрязнений. Главное при хранении и использовании гидравлической жидкости – защита ее от попадания загрязнений и воды.

К сожалению, даже поступающая от производителя жидкость не всегда соответствует заявленной степени очистки, так как в процессе доставки конечному потребителю ее могут переливать в различные емкости и при этой перекачке в жидкость могут попасть загрязнения.

От поставщика жидкость может доставляться непосредственно к месту использования в бочках или другой таре без промежуточной перекачки. Однако при замене или доливе жидкости в гидросистему машины должны поддерживаться жесткие меры обеспечения чистоты: применяться специальные насосы, перекачивающие жидкость из бочек в гидросистему машины, герметичные заправочные емкости и внешние фильтрующие установки (типа «искусственная почка») с тонкостью фильтрации такой же или лучше, чем у фильтра, установленного в гидросистеме машины. Заправка жидкости вручную – обычная причина загрязнения гидросистем. При замене, перед заправкой свежей жидкости следует очистить систему от отложений (особенно гидробак) и промыть ее. Не забывайте регулярно сливать отстой из гидробака.

Для того чтобы сохранить работоспособность гидросистемы, следует избегать:
• попадания в систему чрезмерного количества твердых загрязняющих частиц (причиной данного загрязнения бывают нарушения правил соблюдения чистоты при техобслуживании, сапуны гидробаков неправильной конструкции или неисправные, а также изношенные уплотнения гидроцилиндров);
• попадания в систему чрезмерного количества загрязняющей воды (в результате неправильного хранения жидкости, отсутствия осушающих воздух сапунов на цистернах, негерметичности охладителя гидравлической жидкости на машине либо износа уплотнений гидроцилиндров), даже незначительное количество воды, 0,05–0,1%, ускоряет износ компонентов гидросистемы и разложение присадок жидкости;
• перегрева жидкости (из-за неправильной работы машины или ошибок в конструкции гидросистемы).

Лабораторные анализы. Все специалисты утверждают в один голос: в процессе эксплуатации необходимо регулярно выполнять анализы гидравлической жидкости в специализированной лаборатории, особенно если машина дорогая и объем гидросистемы большой. Периодичность проведения анализов следует выбирать в зависимости от напряженности режима эксплуатации машины, проконсультировавшись с производителем машины и поставщиком жидкости. Однако при составлении графика взятия проб жидкости следует учитывать реальные обстоятельства: если режим эксплуатации стал существенно тяжелее или настораживают результаты анализов, нужно сократить интервалы между отбором проб.

Также при составлении программы анализов гидравлической жидкости важно правильно выбрать проверяемые параметры, чтобы получать максимально полную информацию не только о состоянии самой жидкости, но и гидросистемы, и всей машины. Такой комплексный подход принято называть мониторингом. Как минимум при мониторинге гидравлической жидкости рекомендуется отслеживать изменения следующих параметров:
• кинематическую вязкость жидкости при 40 °С и при 100 °С;
• общее кислотное число;
• содержание воды (по К. Фишеру);
• наличие/ отсутствие гликоля;
• спектрометрический поэлементный анализ методом ICP (индуктивно-связанной плазмы) для выявления признаков и степени износа оборудования, а также загрязнения жидкости посторонними включениями;
• класс чистоты масла.

В процессе эксплуатации и при хранении гидравлическую жидкость рекомендуется визуально проверять на наличие отстоя и мути (на прозрачность), потому что замутнение жидкости может свидетельствовать о наличии загрязнения водой (что ухудшает смазывающие свойства), другими несовместимыми с гидрооборудованием жидкостями или мелкодисперсными твердыми частицами.

Хранение. Если гидравлическая жидкость хранится в бочках, рекомендуется складировать их в вертикальном положении заливной пробкой вниз либо на боку. Если бочки складированы вне помещения, желательно что-то под них подложить или выстроить помост, а также навес, чтобы защитить от контакта с грунтом, воздействия воды и грязи. Если жидкость хранится в больших цистернах, рекомендуется фильтровать ее при закачивании в емкость и при выдаче, обеспечивая необходимую для вашего оборудования степень очистки, например соответствующую 8–9 кл. по ГОСТ 17216-2001 или коду чистоты 16/13 по стандарту ISO 4406. Также применение на крупных цистернах сапунов, осушающих воздух, помогает защищать хранящуюся жидкость от проникновения влаги, как это делается в гидробаках машин.

Жидкость, которая контактировала с воздухом, может храниться не более двух лет. Однако для предовращения использования ставшей «некондиционной» в результате неправильного хранения гидравлической жидкости рекомендуется сделать контрольный анализ пробы из тары.

Выбор гидравлической жидкости

Сегодня на рынке присутствует ряд различных линеек продуктов, различающихся эксплуатационными свойствами и ценой: от минеральных масел без присадок до синтетических, содержащих длинный перечень присадок, придающих жидкости необходимые свойства для работы в определенных условиях.

Подбор по вязкости и температуре. При выборе обязательно должна учитываться вязкость жидкости в рабочем диапазоне температур. Для жидкостей на базе минеральных масел средняя рабочая температура не должна превышать 80–90 °С.

Обычно считается, что вязкость гидравлической жидкости подбирают в зависимости от требований гидронасосов системы. Однако в действительности должна учитываться еще и пропускная способность самых узких каналов системы, например, в клапанах и гидрораспределителях. По этой причине в разных строительных машинах, использующих одинаковые гидронасосы, иногда применяются разные сорта гидравлических жидкостей.

Поэтому при выборе гидравлической жидкости необходимо следовать рекомендациям производителей оборудования и особое внимание обращать на рекомендованный класс вязкости. Тем не менее при выборе следует учитывать и конкретные условия эксплуатации данной машины, ведь производитель дает лишь некие «общие усредненные» рекомендации (например, иногда нет специальных рекомендаций для условий Крайнего Севера). Если условия эксплуатации вашей машины явно отличаются от «средних», при выборе сорта жидкости рекомендуется проконсультироваться и с поставщиком оборудования, и с поставщиком жидкости.

Если вязкость будет слишком высокой, производительность насоса может оказаться недостаточной, чтобы прокачать жидкость при низкой температуре во время запуска. Если вязкость слишком низкая, при высоких температурах произойдут чрезмерно большие внутренние утечки жидкости и производительность насоса упадет, к тому же ухудшится смазывание компонентов (пленка будет разрываться), а также имеется опасность возникновения в жидкости разрушительной кавитации.

За последние несколько лет на рынок поступили гидравлические жидкости с высоким индексом вязкости (HVI) и высоким сопротивлением сдвигу. Современные жидкости HVI обладают очень стабильными характеристиками в широком диапазоне температур, поэтому являются хорошим выбором, особенно в нашем северном климате с большим диапазоном годовых температур. Применение жидкости HVI позволяет сократить ассортимент применяемых гидравлических жидкостей в машинном парке, так, например, жидкость HVI класса вязкости ISO 46 может заместить жидкости пяти классов вязкости ISO VG: от 15 до 68. Также есть разработки гидравлических жидкостей со сверхвысоким индексом вязкости (более 300), что обеспечивает перекрытие широкого температурного диапазона жидкостью класса ISO 32. Такие жидкости находят свое распространение в применении на карьерной технике, где объемы заправки весьма велики и применение «сезонной гидравлики» неэкономично.

Подбор по цене, качеству и режиму работы. Жидкости для гидросистем должны подбираться также в зависимости от возможностей покупателя по цене. Даже у ведущих производителей «однотипные» гидравлические жидкости одного класса могут различаться по цене до 30%, в частности, из-за различия в составе пакета присадок.

Для гидравлических систем современных машин со сложным гидравлическим оборудованием, работающим в напряженных режимах, требуются новые высококачественные сорта жидкостей. Рекомендуется использовать высокосортные жидкости, в основном импортных марок. Некоторые эксперты высказывают мнение, что у отечественных жидкостей, в основе которых отечественное сырье, несмотря на заявленный такой же, как у импортных, класс, срок эксплуатации значительно ниже.

Однако высокосортные импортные жидкости стоят достаточно дорого. Поэтому, если предполагаемый режим эксплуатации машины не является напряженным (машина работает не постоянно, периодически, на режимах неполной нагрузки), можно использовать жидкость класса ниже предпочтительного, если это допускается производителем оборудования. Все ведущие производители гидравлических жидкостей предлагают полные линейки продуктов с различным соотношением цена–режим эксплуатации, из которых можно подобрать продукт, оптимальный для конкретных задач и условий эксплуатации.

Заключение. Рекомендуется выбирать гидравлическую жидкость, «официально одобренную» производителем оборудования, то есть полностью отвечающую требованиям, указанным в сервисной документации. При этом за каждым обозначением отраслевого стандарта или одобрения производителя техники, нанесенным на емкости с гидравлической жидкостью, скрывается конкретная программа испытаний, позволяющая предсказать поведение этой жидкости в реальных условиях эксплуатации.

Ведущие производители гидравлических жидкостей проводили сравнительные испытания новейших жидкостей премиум-класса и давно выпускаемых традиционных жидкостей с противоизносными присадками, рекомендованных производителями различного специального оборудования. Испытания показали, что при использовании новейших гидравлических жидкостей не только защищаются от износа компоненты систем, но и достигается экономия топлива: уменьшаются потери на входе и выходе из насоса (так называемые насосные потери и потери давления), в результате увеличивается к.п.д.

Кроме заявленных характеристик гидравлической жидкости потребителю было бы очень интересно знать, как сохраняются (или изменяются) эти характеристики в течение всего срока эксплуатации жидкости. Например, для эксплуатации очень важна устойчивость параметра «сопротивление сдвигу»: два сорта гидравлической жидкости могут быть заявлены как обладающие одинаково высоким сопротивлением сдвигу. Какой из сортов выбрать? Ведь не исключено, что у какой-то из этих жидкостей сопротивление сдвигу может упасть в течение первых же 15–20 часов работы. Если это произойдет, вязкость жидкости может стать меньше значения, допустимого для работы гидронасоса, и темп его износа возрастет. К сожалению, крайне сложно получить от поставщика достоверные сведения по устойчивости характеристик продукта.

* * *

Несмотря на то, что жидкости для автоматических трансмиссий и другие «пригодные для работы в гидросистемах» широко применяются в гидрооборудовании, среди специалистов отрасли нет единого мнения, может ли быть достигнута при применении этих масел такая же производительность гидросистемы, как при использовании современных специально разработанных гидравлических жидкостей, предназначенных для работы при повышенных температуре и давлении, увеличившейся производительности гидронасосов и в условиях уменьшившихся объемов гидросистем, гидробаков (из-за чего сокращается время на деаэрацию – выделение из жидкости воздуха и воды).

Автору представляется сомнительной возможность использования вышеуказанных «заменителей» вместо специализированных гидравлических жидкостей. Неспециализированные масла не содержат необходимых присадок, температурный рабочий диапазон у них, как правило, меньше, они не обладают необходимой устойчивостью к негативным воздействиям в процессе работы, их использование наверняка нанесет вред компонентам гидросистемы и сократит срок ее службы. Особенно не рекомендуется использовать в гидросистемах маловязкие индустриальные (т. н. «веретенные») масла, которые обладают высокой способностью поглощать влагу из воздуха и не содержат необходимых присадок.

Впрочем, ряд производителей внедорожной техники допускают использование неспециализированных жидкостей в гидросистемах.

Из многочисленных свойств жидкостей остановимся только на тех, которые наиболее важны с точки зрения эксплуатации гидроприводов, определяют их рабочие параметры и которые необходимо учитывать разработчику. Эти свойства определяются перечисленными выше требованиями.

Плотность , характеризуется отношением массы жидкости к ее объему

Для практических расчетов плотность минеральных рабочих жидкостей может быть принята .

Плотность рабочей жидкости характеризует потери давления при ее течении через дроссели, клапаны и гидролинии. Так, при турбулентном режиме течения

где Q - расход жидкости; - потери давления; - коэффициент расхода щели площадью

С ростом температуры плотность уменьшается

,

где р t , р t о - соответственно плотности при температурах t и t о, - коэффициент объемного расширения. Для минеральных рабочих жидкостей (7-8) 10 4 при t- t о =1°С. Это свойство необходимо учитывать при проектировании гидропривода с замкнутой циркуляцией рабочей жидкости. В таком приводе при увеличении температуры происходит увеличение объема и повышение давления, которое может привести к разрушению гидросистемы. Чтобы избежать этого, к гидробаку присоединяют термокомпенсатор, например cильфонного типа. Изменение его объема должно быть достаточным для компенсации теплового расширения рабочей жидкости во всей гидросистеме.

Вязкость - свойство жидкости оказывать сопротивление относительному смещению ее слоев. Это свойство является важнейшим для работы гидропривода.

Влияние вязкости неоднозначно. С одной стороны большая вязкость повышает надежность смазки трущихся поверхностей, уменьшает утечки в гидроустройствах и способствует повышению устойчивости гидропривода. С другой стороны - увеличивает потери на трение, увеличивает гидравлическое сопротивление в гидролиниях и уменьшает быстродействие привода.

Вязкость жидкости характеризуется коэффициентами динамической и кинематической вязкости. Коэффициент динамической вязкости, Па. с, определяется из уравнения, выра­жающего закон жидкостного трения Ньютона:

где Т - сила, возникающая между движущимися слоями жидкости; S - площадь соприкосновения поверхностей слоев; - градиент скорости.

Коэффициент кинематической вязкости , м 2. с -1 , определяется соотношением

Он измеряется и в стоксах (Ст)

1 Ст=100 сСт=1 см 2 /с.

Ввиду того, что непосредственно измерить вязкость в движущейся жидкости сложно, определяют условную вязкость с помощью специальных приборов, называемых вискозиметрами. Наибольшее применение нашел вискозиметр Энглера , измеряющий вязкость как отношение времени истечения 200 см 3 жидкости через отверстие диаметром 2,8 мм под действием собственного веса к времени истечения такого же объема дистиллированной воды при температуре 4 °С. Единица вязкости, определенной таким способом, называется градусом вязкости условной (°ВУ). В некоторых странах эта единица называется градусом Энглера (°Е).

Перевод °ВУ в сСТ при °ВУ>3,2 выполняют по формуле

Вязкость рабочей жидкости существенно зависит от ее температуры. Для минеральных масел это влияние может, быть определено эмпирической зависимостью

где - вязкость при температуре 50 °С; t - температура. Эта зависимость справедлива в интервале температур 30

Зависимость вязкости от давления р может быть представлена в следующем виде :

где - коэффициент динамической вязкости при р=0; а= 0,15-0,17 МПа -1 пьезокоэффициент вязкости. Выражение (7) справедливо при р<60 МПа.

Наличие в рабочей жидкости воздуха приводит к некоторому снижению вязкости

, (2.8)

где - вязкость чистой жидкости; - вязкость рабочей жидкости, содержащей В% воздуха от общего объема.

Сжимаемость - свойство жидкости изменять свой объем под действием давления. Сжимаемость рабочей жидкости должна быть минимальной, так как ее наличие приводит к снижению подачи насосов, нарушает плавность движения перемещаемых гидроприводом узлов машин, уменьшает точность реализации перемещений, снижает устойчивость гидропривода.

Сжимаемость, Па -1 , характеризуется коэффициентом объемного сжатия

где V/ V - относительное изменение объема при изменении давления на р.

Величина, обратная , называется модулем объемной упругости жидкости, Па:

Для минеральных масел модуль объемной упругости лежит в пределах . Трубопроводы и особенно шланги уменьшают «приведенный» модуль упругости.

Процесс сжатия рабочей жидкости может проходить с различной скоростью. Сжатие при медленно протекающих процессах, при которых успевает завершиться теплообмен с окружающей средой, характеризуется изотермическим модулем упругости Ет . Сжатие при быстро протекающих процессах, при которых теплообмен не успевает завершиться, характеризуется адиабатическим модулем упругости Еa. Экспериментальный метод определения этого модуля основан на замере скорости распространения звуковых волн в жидкости

где а - скорость звука в жидкости.

Установлено , что при расчете быстропротекающих процессов в гидроприводе можно принимать Еа ~ 1,15 Ет.

Модуль объемной упругости зависит от давления и температуры . Упругость увеличивается с повышением давления и уменьшается с ростом температуры

где Е 0 - модуль объемной упругости без наличия в жидкости газовой среды при t о = 20 0 С, р = 0,1 МПа; k 1 = 11 -15, k 2 = 7-9,5 МПа/°С.

Большое влияние на сжимаемость рабочей жидкости оказывает наличие в ней нерастворенного воздуха в виде мелких пузырьков. Сжимаемость в этом случае во много раз выше сжимаемости чистой жидкости.

Рассмотрим это влияние в условиях изотермического процесса сжатия. Нерастворенный воздух в объеме V В образует с объемом чистой жидкости V ж двухфазную смесь

Vс=Vж+Vв. (2.12)

Продифференцировав (2.12) по давлению р и предположив, что закон сжатия смеси имеет тот же характер, что и для чистой жидкости, а закон сжатия воздуха подчиняется закону Бойля-Мариотта рV n =сопst, имеем

, (2.13)

где Е C , Е Ж - модули объемной упругости смеси и чистой жидкости; V В0 - объем воздуха в смеси при атмосферном давлении р 0 . При изотермическом процессе сжатия n = 1.

Из (2.13) и (2.12) получим

(2.14).

Разделив правую часть (2.14) на начальный объем жидкости в смеси V Ж0 , положив V Ж0 = Vж и подставив , имеем

(2.15)

В реальных системах содержание воздуха может меняться в широких пределах (Vво/Vжо = 0,015 - 0,025) . Зависимость модуля объемной упругости от давления рабочей жидкости при различном содержании воздуха представлена на рис. 2.1. Как видно из рисунка, влияние давления проявляется в большей степени при малых его значениях. Для устранения этой зоны в сливных гидролиниях гидроприводов должны быть установлены напорные клапаны, создающие подпор порядка 0,5-1 МПa. Благодаря этому уменьшается сжимаемость рабочей жидкости в сливных полостях гидродвигателей и повышается плавность движения рабочих ор­ганов машин, особенно при использовании гидроцилиндров.

Рис. 2.1. Зависимость модуля объемной упругости реальной жидкости от давления

При давлении более 15 МПа влияние воздуха на сжимаемость практически не сказывается, так как он переходит в растворенное состояние. Это обстоятельство также обусловливает полезность перехода на более высокие давления рабочей жидкости в напорных гидролиниях приводов.

Для снижения количества нерастворенного воздуха необходимо знать основные пути его проникновения в гидросистему. Наиболее интенсивно подсос воздуха происходит на линии всасывания через неплотности в местах крепления фланцев насоса и приемных фильтров, через уплотнения валов и т. п. Подсос воздуха происходит также при понижении уровня жидкости в гидробаке по отношению к всасывающему патрубку. Нерастворенный воздух может образовываться из растворенного на участках с пониженным давлением. При этом обратный процесс протекает значительно медленнее.

Измерение количества нерастворенного воздуха проводится либо путем измерения объемов жидкости до и после его отделения, либо путем измерения некоторых свойств рабочей жидкости (плотности, модуля упругости и т. п.), зависящих от его количества.

Количество воздуха в гидросистеме может быть понижено путем применения эластичных диафрагм, исключающих контакт воздуха с жидкостью в гидробаках или путем создания подпора во всасывающей гидролинии. Удаление воздуха в тупиковых гидросистемах и в верхних точках гидроустройств проводят с помощью воздухоспускных пробок (сапунов) или клапанов.

Тепловые свойства. Наибольший интерес представляют удельная теплоемкость и теплопроводность. Удельная теплоемкость характеризует интенсивность повышения температуры рабочей жидкости в гидросистеме. По сравнению с водой удельная теплоемкость минеральных масел вдвое меньше. Теплопроводность характеризует количество теплоты, переданное за единицу времени через единицу поверхности при разности температур между жидкостью и стенкой в один градус. Для лучшего отвода тепла рабочие жидкости должны иметь высокие тепловые свойства.

Температурный диапазон использования рабочих жидкостей связан с температурами вспышки и застывания. Температура вспышки есть температура, при которой пары жидкости образуют с воздухом смесь, вспыхивающую при поднесении открытого пламени. Температура вспышки позволяет судить о пожарной безопасности гидрссистем. Температура застывания - температура, при которой рабочая жидкость загустевает настолько, что при наклоне пробирки на 45° ее уровень в течение 1 мин остается неизменным. Для наиболее распространенных индустриальных масел температура вспышки составляет 160-200°С, а температура застывания - 30 - 15 °С.

Электрические свойства имеют значение для рабочих жидкостей, применяемых в электрогидравлических устройствах гидроприводов. Чтобы избежать замыкания электрических цепей, нарушения изоляции и искрения в результате возможного попадания рабочей жидкости, ее электрическая проводимость должна быть минимальной.

09.07.2012
Гидравлические жидкости, состав, классификации.

Гидравлические жидкости

1. Состав гидравлических жидкостей (базовые жидкости, присадки)

1.1. Базовое масло, базовая жидкость

Как правило, гидравлическая жидкость состоит из базовой жидкости, которую называют базовым маслом, и химических веществ, обычно называемых присадками. Качество и эксплуатационные характеристики гидравлической жидкости обычно зависят от применяемых в ней базовой жидкости и комбинации присадок или пакетов присадок. Присадки улучшают конкретные функциональные характеристики, которыми базовое масло не обладает или обладает в недостаточной степени. Классификация гидравлического масла определяется техническими и экологическими характеристиками, типом базовой жидкости и типами присадок.
Жидкости на основе минеральных масел (парафиновых масел, нафтеновых масел и базовых масел) и/или их смеси применяются в качестве базовых жидкостей или, базовых масел. Синтетические жидкости на основе масел гидрокрекинга (НС -масел или так называемых масел группы III ), ПАО, эфирные масла (РОЕ ) и полигликоли (PAG ) применяются главным образом в огнестойких, способных к быстрому биоразложению, или специальных гидравлических жидкостях. Натуральные растительные масла, например рапсовое масло, часто встречаются в биоразлагаемых жидкостях. Гидравлические жидкости пищевого сорта обычно основаны на специальных белых маслах, ПАО и полигликолях (см. главы 4 и 5 «Базовые масла и синтетические базовые масла»).
Доля минеральных масел составляет ~ 88% (в основном парафиновые масла группы I); синтетических масел — 12% (80% сложные эфиры, 15% полигликоли и т.д.).

1.2. Присадки к гидравлическим жидкостям

Присадки могут являться либо взаимодополняющими, либо противодействующими друг другу. С помощью присадок могут быть улучшены такие характеристики, как стойкость к старению, антикоррозионные, противоизносные, противозадирные свойства, вязкостно-температурные характеристики, вспенивание, моющие свойства, коэффициент трения и многие другие функциональные характеристики.
Важнейшими присадками для гидравлических жидкостей являются:
. «поверхностно-активные присадки», например ингибиторы коррозии, дезактиваторы металлов, противоизносные присадки, модификаторы трения, DD присадки и т. д.;
. «присадки к базовым маслам», например антиоксиданты, антивспенивающие средства, присадки, улучшающие индекс вязкости, присадки, улучшающие температуру застывания и т. д.
Грубая классификация систем присадок к гидравлическим жидкостям может быть достигнута их разделением на системы, содержащие цинк и золу, и системы. не содержащие указанных компонентов (ZAF ). Доли цинксодержащих гидравлических масел составляет 70—80%.

2. Первичные, вторичные и третичные характеристики гидравлических жидкостей

К первичным функциям и свойствам гидравлических жидкостей относятся:
. передача энергии давления и кинетической энергии;
. передача сил и крутящих моментов при использовании жидкости в качестве смазочного масла;
. минимизация износа поверхностей скольжения в условиях граничного трения:
. минимизация трения;
. защита компонентов от коррозии (черных и цветных металлов);
. рассеяние тепла;
. применение в широком диапазоне температур, обеспечении хороших вязкостно-температурных характеристик;
. увеличение сроков службы машин и оборудования и т. д. Гидравлическая жидкость должна удовлетворять следующим требованиям:
. вторичные характеристики: высокая окислительная стабильность, хорошая термическая стабильность, инертность к металлам, совместимость с металлами и эластомерами, хорошая аэрационная способность, низкое вспенивание, хорошая фильтруемость, хорошее водоотделение, хорошая стойкость к сдвигу в случае неньютоновских жидкостей и т.д.;
. третичные характеристики: низкая испаряемость в результате низкого давления насыщенных паров, токсикологическая безвредность, экологическая безопасность, низкая воспламеняемость (огнестойкость) и т. д.
Многообразие характеристик и требований, которым должны удовлетворять гидравлические жидкости, обусловливает необходимость наличия особых свойств, которые не могут быть обеспечены только за счет одного базового масла. Синтетические базовые жидкости могут удовлетворять таким требованиям, как экологическая совместимость, высокая термическая стабильность, огнестойкость и применимость в областях промышленности, связанных с производством пищевых продуктов.

3. Критерии отбора гидравлических жидкостей

Выбор гидравлической жидкости зависит от условий применения: диапазона рабочих температур, конструкции гидравлической системы, типа насоса, рабочего давления и экологических соображений. Требуемый срок службы, доступность, экономические и экологические факторы также определяют тип применяемого гидравлического масла. С реологической точки зрения вязкость подбираемой жидкости должна быть минимально возможной. Это гарантирует мгновенное срабатывание гидравлики при активации системы. С другой стороны, минимальная вязкость необходима для снижения утечек и гарантии адекватной смазки насоса и других подвижных частей. Любое изменение температуры гидравлической жидкости непосредственно отражается на вязкости. Поэтому рабочая температура гидравлической системы должна поддерживаться в сравнительно узких пределах для исключения крупных колебаний вязкости жидкости. При выборе гидравлической жидкости исходят из предположения, что рабочая и окружающая температура известны. В замкнутых системах это температура контура, а в открытых системах — температура в резервуаре. Вязкость подобранной жидкости должна находиться в оптимальных пределах, от 16 до 36 мм 2 /с
(V оптимум = оптимальной рабочей вязкости = 16-36 мм 2 /с). В пороговых условиях (во время низкотемпературного запуска, при кратковременных перегрузках) вязкости, приведенные в Табл.1, могут быть использованы в зависимости от типа насоса, применяемого в системе. Нормальные рабочие условия зависят от окружающей температуры, давления и других факторов. В стационарных гидравлических системах низкого и среднего давления рабочая емпература должна составлять 40-50 °С (температура в баке).

Для систем, работающих при высоких давлениях (выше 400 атм), средняя температура системы может быть приблизительно на 10-20 °С выше. Следует иметь в виду, что температура жидкости на выходе из насоса и далее по схеме моторов и клапанов выше, чем средняя температура в баке системы. Температура утечки, зависящая от давления и производительности насоса, всегда выше температуры в системе или в баке.
Температура жидкости никогда не должна быть выше 90 °С (максимум 100 °С)в любой части системы. Если эти условия не могут быть обеспечены в силу экстремальных обстоятельств, то при более низких температурах окружающей среды рекомендуется промывать насосы и моторы. Вязкость при запуске и рабочую вязкость (рабочая вязкость гидравлической жидкости) устанавливают в соответствии с различными ISO классами вязкости. Для большинства областей применения допустимы классы вязкости 15, 22 (при низких температурах окружающей среды), 32, 46 и 68. Обычно применяют масла с ИВ около 100. Высокоиндексные масла (лучшая вязкостно-температурная зависимость) рекомендуются для специальных гидравлических систем при высоких или низких температурах окружающей среды и применениях в мобильных системах. Если применяются присадки, повышающие ИВ (вязкостные присадки), то они должны обладать стойкостью к сдвигу (в течение всего срока службы жидкости) для сохранения механических свойств масла на протяжении всего срока службы. Высоковязкие масла могут применяться в длительно эксплуатируемых системах для со- кращения утечек и износа. Высокоиндексные гидравлические масла способствуют рационализации ассортимента масел в промышленных областях применения (например, масло HVLP 46 может заменить масла до пяти классов вязкости (ISO VG 15-68). На диаграммах подбора гидравлических жидкостей (рис.1) показаны рекомендованные классы вязкости в зависимости от окружающей температуры.
Средняя рабочая температура гидравлических масел на базе минеральных масел в стационарных системах не должна превышать 50—60 °С и 80-90 °С в мобильных системах. Жидкости, содержащие воду (например, HFC -жидкости), должны поддерживаться при более низких температурах, вплоть до 35-40 °С (давление насыщенных паров воды).
Объем жидкости в стационарных системах должен в три—пять раз превышать объем жидкости, прокачиваемой за одну минуту. В мобильных системах объем бака должен быть в один—два раза больше объема прокачиваемой жидкости, но в особых обстоятельствах возможен и меньший объем. 4. Классификация и стандартизация гидравлических жидкостей
В зависимости от своего конечного назначения гидравлические жидкости могут быть отнесены к одной из двух основных групп — жидкостей для гидростатических и гидродинамических областей применения.
Гидростатические области применения могут быть подразделены на подгруппы с учетом международных стандартов ISO, СЕТОР и национальных (например, DIN ) классификаций:
. DIN 51 524 или ISO 6743/4 гидравлические масла;
. ISO/CD 12922, VDMA 24317, СЕТОР RP 91H и DIN 51 502 огнестойкие гидравлические жидкости в соответствии с 7-м Люксембургским отчетом или Factory Mutual System Insurance company USA (FM Global );
. ISO 15380 (VDMA 24568) и ISO 6743/4 гидравлические жидкости, способные к быстрому биоразложению ISO 15 380: Смазочные материалы, промышленные масла и смежные продукты (класс L ) семейство Н — спецификация на экологически приемлемые жидкости — HETG, HEES, HEPG, HEPR ;
. NSF Н1, Н2 и FDA гидравлические масла, применяемые в пищевой промышленности NSF International The Public Health and Safety Company (некоммерческая, неправительственная организация — США);
. STOU и UTTO универсальные гидравлические масла для применения в мобильных системах. Гидравлические масла, применяемые в гидродинамических устройствах, могутбыть отнесены к ATF, жидкостям для конвертеров и муфт сцепления (см. главу 10). На рис.2. показаны различные категории гидравлических жидкостей и основные области их применения.

Гидравлические жидкости на основе минеральных масел

будут рассмотрены в следующей статье.

Роман Маслов.
По материалам зарубежных изданий.

Функции рабочих жидкостей:

1. Передача энергии

2. Смазка трущихся частей

3. Отвод тепла от нагретых элементов гидромашин и гидроаппаратов

4. Отвод продуктов износа (стружка и т.д.)

5. Коррозионная защита

Требования к рабочим жидкостям:

1. Оптимальная вязкость, плавно изменяющаяся в рабочем диапазоне температур, причём изменение должно быть минимальным

2. Широкий диапазон рабочих температур, низкая температура застывания

3. Низкий коэффициент теплового расширения

4. Высокая теплопроводность и удельная теплоемкость

5. Хорошие смазочные и антикоррозионные свойства

6. Высокий модуль упругости

7. Химическая стабильность

8. Малая склонность к вспениванию

9. Инертность по отношению к конструкционным материалам гидромашин и гидроаппаратов

10. Относительно малая плотность

11. Низкая способность к поглощению и растворению воздуха

12. Отсутствие электропроводимости

13. Незначительная растворимость в воде и наоборот

14. Огнестойкость и пожаробезопасность

15. Высокая температура кипения и низкая летучесть

16. Нетоксичность жидкости

17. Отсутствие резкого запаха, наличие приятного

18. Прозрачность или наличие характерной окраски

19. Низкая стоимость, недефицитность

20. Совместимость с другими видами жидкостей

Виды рабочих жидкостей гидропривода:

1. Вода (нетоксична, недефицитна, безопасна, отсутствие смазочной способности (добавление небольшого количества щелочи))

2. Минеральное масло . Продукт нефтепереработки. Пожаробезопасен. Применяются различные сорта масел. Состоят из основы и присадок (на 85-90% очищенное минеральное масло, полученное путем перегонки масла, остальное – присадки , улучшающие эксплуатационные свойства (антиокислительные, противопенные, антикоррозионные)). Масла делятся по вязкости : маловязкие (5-10 сСт), средневязкие (12-30 сСт), высоковязкие (30-70 сСт). Применяются летние и зимние сорта минеральных масел.

3. Синтетические жидкости . В их основе продукты, полученные в результате химических реакций. Достоинства : стойкость к окислению, низкая температура застывания, стабильные физические характеристики в широком диапазоне. Недостатки : высокая стоимость, плохая смазочная способность, токсичность, относительно низкая или высокая вязкость. Применяются при необходимости обеспечения пожаробезопасности специальных гидроприводов при высоких температурах.

4. Эмульсионные жидкости

А) масло-водяные

Б) вода в масле

Достоинства : пожаробезопасность (эмульсии на водной основе безопасны), экономия нефтяной жидкости. Недостатки : неустойчивость, низкая температура кипения и застывания, плохая смазочная способность (масло в воде), высокая коррозионная активность. Применяются в системах горных машин, работающих под землей, где циркуляция большого объема масла (более 500 л).

5. Жидкие металлы (калий, натрий и их сплавы): высокий модуль упругости, не вспениваются, не растворяют газы. Применяются в системах специального типа (охлаждение ядерного реактора быстрых нейтронов)